Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Физические свойства шлаков, вязкость

Среди физических свойств шлака наиболее сильное влияние на скорость окисления примесей и переноса их в шлаке оказывает вязкость, т. е. свойство шлака сопротивляться течению или внутреннему сдвигу. Как известно, вязкость определяется соотношением:

  • F=nS*(dw/dy)

где F — сила, необходимая для создания между слоями площадью S градиента скорости dw/dy,
n— коэффициент вязкости,
н-с/м2, или пз (гс/см-с).
Следовательно, величина вязкости определяется коэффициентом вязкости.

Вязкость оказывает существенное влияние на скорость диффузии компонентов. В условиях, когда шлак неподвижен, справедливо уравнение n\D = const (где D — коэффициент скорости диффузии, см2/с). Следовательно, скорость диффузии обратно пропорциональна вязкости.

В неспокойном шлаке с увеличением его вязкости уменьшается скорость массопереноса компонентов вследствие уменьшения интенсивности перемешивания. Вязкость шлака зависит от его температуры и состава.
С увеличением температуры вязкость шлака уменьшается. Эта зависимость выражается уравнением:

  • n = А exp (EnRT),

где А — постоянная, характерная для данной жидкости;
ехр — экспонент или показатель степени при основании е натурального логарифма (у = ехр записывают вместо Y = О)
Еn — энергия активации вязкого течения.

При температуре сталеплавильных процессов (1550—1650° С) основные шлаки характеризуются низкой вязкостью, составляющей 0,01—0,3 Н-с/м2 (0,1—Зпз) [отметим для сравнения, что вязкость воды при 20° С составляет 0,001 Н - с/м2 (0,01 пз), льняного масла 0,05 Н-с/м2 (0,5 пз), жидкой стали при 1600° С ~ 0,004 Н-с/м2 (~0,04 пз)]. Но с понижением температуры вязкость этих шлаков резко возрастает.

Вязкость основных шлаков увеличивается с повышением содержания СаО и особенно MgO. Существенно повышается кажущаяся вязкость шлака при наличии в нем нерастворенных частиц размером 10-3 10-2 мм, вызывающих значительное увеличение внутреннего трения. В основном шлаке такими частицами могут быть кристаллы периклаза (MgO), извести, окислов хрома. Вязкость основных шлаков уменьшается при введении Fe2O3, SiO2, Аl2O3 и CaF2. Так как эти компоненты увеличивают растворимость СаО и MgO в шлаке, их присадка в шлак вызывает понижение и кажущейся вязкости.

Наиболее сильный эффект понижения вязкости основного шлака наблюдается при введении в него плавикового шпата (CaF2). Этим широко пользуются при выплавке стали в дуговых печах и особенно при ЭШП. Как отмечалось, CaF2 является одним из главных компонентов большинства флюсов, применяемых для получения шлака при электрошлаковом переплаве.

Зависимость вязкости от температуры
Рисунок 1. Зависимость вязкости шлака
от температуры

Влияние CaF2 на вязкость шлаков системы СаО—Аl2O3—CaF2 показано на рисунке, из которого видно, что обогащение расплава фтористым кальцием понижает вязкость шлаков. Увеличение содержания СаО в шлаке при неизменной доле Аl2O3 или увеличение содержания Аl2O3 при постоянной доле СаО вызывает увеличение вязкости.

Вязкость кислых шлаков значительно выше вязкости основных шлаков и может превышать ее на целый порядок. Вязкость кислых шлаков существенно возрастает с повышением содержания кремнезема выше предела растворимости, когда он находится в шлаке в виде взвеси кристалликов. Понижается вязкость таких шлаков с повышением содержания в них СаО или окислов железа. Поэтому присадки в ванну кислой дуговой печи извести и железной руды вызывают повышение жидкоподвижности шлака и интенсификацию окислительных процессов.

Вязкость шлаков
Рисунок 2. Вязкость шлаков системы СаО—Аl2O3—CaF2

Электропроводность жидких шлаков не только представляет интерес для изучения их структуры, но и имеет значение для протекания процессов в электросталеплавильных агрегатах. Можно, например, отметить электрошлаковый переплав, при котором нагрев ванны происходит за счет тепла, выделяемого при прохождении тока через шлак.

электролиз расплава
Рисунок 3. Выход по силе тока при электролизе расплава FeO-SiO2

Электропроводность жидких шлаков может быть обусловлена движением электронов или ионов или одновременно теми и другими частицами. Ионная проводимость в отличие от электронной связана с массопереносом в расплаве и с развитием электродных реакций, т. е. электролизом. Это позволяет определять долю каждой из проводимости по результатам определения выхода по силе тока. Как известно, этот выход равен отношению фактически полученного при электролизе продукта к количеству его, отвечающему закону Фарадея.

электропроводность шлаков
Рисунок 4. Удельная электропроводность шлаков системы СаО—Аl2O3—CaF2

Шлаки сталеплавильных процессов обладают преимущественно ионной проводимостью. Значительная доля электронной проводимости бывает лишь при высоком содержании в шлаке закиси железа, для которой такой вид проводимости характерен. Влияние закиси железа на выход по силе тока и соответственно на характер проводимости железо-силикатного расплава по данным Г. Дерджа показано на рисунке. Из рисунка видно, что при повышении содержания кремнезема в шлаке более 10% происходит резкое увеличение выхода по силе тока, т. е. увеличивается доля ионной проводимости.

Изменение характера и количества ионов определенного сорта может вызвать изменение проводимости. Поэтому электропроводность шлака изменяется с его составом. Известно, например, что частичная замена FeO или МnО в шлаке на СаО в расплавленных силикатах понижает их электропроводность. Это, по-видимому, объясняется меньшей подвижностью относительно крупных катионов Сам2+ по сравнению с Feм2+ и Мnм2+.

Влияние состава на электропроводность шлаков системы СаО—Аl2O3—CaF2. представляющей особый интерес для электрошлакового переплава, видно на рисунке, где нанесены линии постоянной удельной электропроводности — изокондукты при 1600° С. Проводимость таких шлаков возрастает при обогащении расплавов фтористым кальцием.

С повышением температуры электропроводность шлаков возрастает, причем зависимость эта имеет экспоненциальный характер:

  • х = В ехр (EхRT),

где В — постоянная, характерная для данного электролита;
Ех—энергия активации.

Важное значение для решения вопроса о структуре шлаковых расплавов и для процессов плавки имеет поверхностная энергия, которую на границе с газовой фазой обычно называют поверхностной энергией, а на границе с другой конденсированной фазой (металлом) — межфазным натяжением. Межфазное натяжение определяет возможность разделения или прилипания металла и шлака, поглощение шлаком неметаллических включений из металла, интенсивность поступления в металл кислорода, водорода из печной атмосферы.

электропроводность шлаков
Рисунок 5. Влияния состава шлака СаО-Аl2O3-SiO2 на межфазное натяжение шлака на границе с жидким железом

Поверхностное и межфазное натяжение шлака зависят от его состава. На рисунке приведен пример влияния состава шлака на межфазное натяжение шлака на границе с жидким железом по результатам исследования С. И. Попеля. Как видно из рисунка, повышение содержания Аl2О3 и СаО в расплаве СаО-Аl2O3-SiO2 вызывает повышение межфазного натяжения. Добавки к такому расплаву FeO и МnО вызывают существенное понижение межфазного натяжения.

В общем можно отметить, что в сталеплавильных процессах межфазное натяжение шлака на границе с металлом очень велико, что делает малой величину адгезии, характеризуемой работой, которую необходимо затратить против сил сцепления двух соприкасающихся между собой жидкостей.

Работа адгезии между металлом и шлаком обычно меньше работы когезии (работы против сил сцепления частиц в одной из фаз — для шлака WK = 2аш г). Это обеспечивает хорошее отделение металла от шлака.

Большой величиной адгезии к стали (более 0,08 мДж/см2, или 800 эрг/см2) обладают лишь шлаки с повышенным содержанием СаС2 (4—6%) — карбидные шлаки. Как показали исследования С. И. Попеля, с повышением содержания СаС2 в шлаке адгезия его к стали увеличивается (особенно с повышением содержания в ней углерода), а когезия в шлаке убывает. Вследствие превышения адгезии фаз над когезией металл плохо отделяется от шлака и загрязняется окисными включениями.

Источник [4] → список литературы.


Вернуться в начало раздела: Физико-химические основы плавки стали
Вернуться на главную: Черная металлургия